Régulateur de débit d'eau de refroidissement pour sondages de gazéification souterraine

Abstract

 @ Régulateur (8) du débit d'eau alimentant un dispositif de refroidissement situé à la base du sondage d'évacuation du gaz produit par gazéification d'un gisement de charbon (3). L'entrée d'eau dans le dispositif de refroidissement est contrôlée par un piston (12) pouvant se déplacer dans une chambre (14) et soumis d'une part à la pression de l'eau venant de la surface (2), d'autre part à la force d'un ressort (19); la chambre (14) est en communication avec le tuyau d'amenée d'eau de la surface par un conduit (20) traversant le piston (12); elle comporte en outre un orifice réglable (15) contrôlé par un pointeau (16), permettant la sortie de l'eau de la chambre (14).

Description

[0001] La présente invention est relative à un régulateur du débit d'eau d'un dispositif de refroidissement d'un tuyau d'évacuation de gaz, produit par gazéification d'un gisement souterrain de charbon, comportant près de sa base une enceinte dans laquelle la phase liquide de l'eau est en contact avec la phase vapeur.

[0002] Elle trouve sa principale application dans la gazéification souterraine, en particulier dans les équipements destinés à refroidir les sondages d'évacuation du gaz produit. L'évacuation des gaz produits par gazéification in situ de gisements charbonniers enfouis à grande profondeur (1000 m et plus) implique de relier ces couches de charbon avec la surface au moyen d'un nombre important de tuyaux d'évacuation,(désignés ci-après par sondages). L'évacuation des gaz produits exige toutefois une étanchéité parfaite du gazogène souterrain, en particulier aux endroits de raccordement des couches de charbon avec les sondages. A cet effet, les sondages sont scellés sur une hauteur suffisante dans les terrains surplombant le gisement, au moyen de ciment réfractaire. Néanmoins les sondages, traversés par les gaz produits ayant une température de 700 à 1000⁰C tendent à se dilater et soumettent les scellements à d'importantes contraintes. En pratique l'étanchéité des scellements ne peut être garantie si la température des sondages (et donc des gaz) dépasse 250 à 300°C.

[0003] A cet effet, il a déjà été proposé d'installer dans chaque sondage, de préférence près des couches de charbon, un dispositif de refroidissement qui ramène le gaz produit à une température admissible de l'ordre de 250°C.

[0004] Ainsi le brevet belge No.847.383 décrit le refroidissement du gaz dans un échangeur de chaleur alimenté en eau à partir de la surface, de manière à produire de la vapeur qui est ensuite mélangée au courant gazeux. Certains auteurs ont proposé de pulvériser de l'eau directement dans le courant gazeux.

[0005] Une caractéristique commune à ces systèmes est la difficulté de régler le débit d'eau injecté. Or un réglage précis est nécessaire étant donné que trop peu d'eau conduit à la surchauffe et à la destruction du tubage, et que trop d'eau entraine des perturbations de l'écoulement du gaz, voire l'envahissement du sondage.

[0006] Le réglage du débit d'eau par une action exercée en surface est difficile en raison de la précarité des informations disponibles sur les conditions prévalant au fond du sondage; il est d'autre part inefficace en raison de l'existence d'une colonne d'eau de quelque 1000m de hauteur en aval de l'organe régulateur.

[0007] On est donc contraint de réaliser le réglage au fond du sondage, et de résoudre les difficultés inhérentes à cette solution.

[0008] Il n'est en effet pas possible de mettre en oeuvre des moyens de réglage connus, en raison des exigences suivantes :

- l'encombrement de ces derniers doit être réduit, car les sondages de gazéification souterraine ont des faibles diamètres généralement compris entre 200 et 250mm;

- on ne peut utiliser que des moyens de réglage mécaniques, du fait des températures élevées;

- le fonctionnement doit rester fiable dans des ambiances agressives (haute température, haute pression, gaz acide);

- le comportement dynamique doit être satisfaisant; il faut en particulier éviter les coups de bélier et les instabilités de réglage.

[0009] La présente invention propose un régulateur de débit qui satisfait aux conditions évoquées ci-dessus.

[0010] Elle a pour but de pallier aux inconvénients des dispositifs de régulation connus et concerne un régulateur de débit qui permet d'effectuer le réglage au fond du sondage. Elle apporte une solution aux problèmes techniques d'encombrement, de résistance aux températures élevées, de fiabilité et de comportement dynamique.

[0011] Elle est relative à un régulateur du débit d'eau d'un dispositif de refroidissement d'un tuyau d'évacuation de gaz, produit par gazéification d'un gisement souterrain de charbon, comportant près de sa base une enceinte dans laquelle la phase liquide de l'eau est en contact avec la phase vapeur, essentiellement caractérisé en ce que l'entrée d'eau dans l'enceinte du dispositif de refroidissement du tuyau d'évacuation du gaz produit par gazéification d'un gisement souterrain de charbon, est contrôlée par un piston pouvant se déplacer dans une chambre substantiellement fermée; ce piston, comportant un conduit d'entrée d'eau, est soumis d'une part à la pression de l'eau venant de la surface et d'autre part à la force d'un ressort; cette chambre comporte en outre un orifice réglable, contrôlé par un pointeau, permettant la sortie de l'eau contenue dans la chambre.

[0012] Suivant une forme avantageuse d'exécution de l'invention, l'ensemble des parois latérales de la chambre, du ressort et du piston sont remplacés par un soufflet de dilatation solidaire d'une unité de contrôle de l'entrée d'eau et solidaire de l'orifice réglable permettant la sortie de l'eau du soufflet.

[0013] Suivant une forme préférentielle d'exécution de l'invention, l'unité de contrôle de l'entrée d'eau est constituée d'un corps allongé formant l'obturateur de l'enceinte; ce corps est façonné extérieurement de façon à présenter en alternance des zones coniques et des zones cylindriques et se déplace axialement dans un espace cylindrique dont les parois comportent des rétrécissements.

[0014] Suivant une forme d'exécution particulièrement avantageuse de l'invention, le conduit d'entrée d'eau traversant le corps allongé est constitué au moins partiellement d'une succession de restrictions et d'élargissements.

[0015] D'autres particularités et détails de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée suivante, à l'aide d'exemples non limitatifs, se référant aux figures jointes.

[0016] Dans ces dessins :

- la figure 1 est une coupe d'un schéma d'ensemble d'un sondage muni d'un dispositif de refroidissement et d'un régulateur de débit;

- la figure 2 montre un schéma du régulateur de débit;

- la figure 3 est une coupe d'une forme d'exécution du régulateur de débit.

[0017] Dans ces dessins, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.

[0018] La figure 1 montre un sondage 1 reliant la surface 2 à un gisement charbonnier 3. Le ciment réfractaire 4 entoure le sondage 1. Le gaz produit est représenté par les flèches portant le numéro de référence 5.

[0019] A l'intérieur du sondage 1 se trouve un tuyau d'alimentation d'eau 6 comportant en bas un échangeur de chaleur 7 muni d'un régulateur de débit 8.

[0020] La figure 2 montre le dispositif de refroidissement comportant une enceinte 11 dans laquelle la phase liquide 9 de l'eau est en équilibre avec la phase vapeur 10.

[0021] L'entrée de l'eau dans l'enceinte est contrôlée par un régulateur de débit comportant un piston 12 dont la tête joue le rôle d'obturateur de l'orifice 13 situé au pied du tube 6 amenant l'eau sous forte pression (par exemple 100 bars) depuis la surface. Le fond du cylindre 14 est percé d'un petit orifice 15 permettant à l'eau contenue dans le cylindre de s'en échapper.

[0022] L'ouverture ou la fermeture de cette sortie 15 est commandée par un pointeau 16 dont la position est fixée par le niveau d'eau dans l'échangeur de chaleur 7, assurant le refroidissement du gaz.

[0023] A cet effet, un flotteur 17 est relié au pointeau 16 par un jeu de leviers 18. Un ressort 19 inséré dans le cylindre 14 s'oppose au déplacement du piston 12 vers le bas. La position d'équilibre du piston est obtenue lorsque la résultante des forces qui s'exercent sur lui est nulle.

[0024] Il est clair que lorsque 1' orifice 15 est fermé, la pression de l'eau dans la chambre 14 remonté jusqu'à la valeur de la pression dans le tube 4. Lorsque le pointeau 16 est abaissé, il s'établit un débit "secondaire" à travers la chambre 14 et la pression dans celle-ci sera déterminée par l'importance relative des pertes de charge d'une part dans le conduit d'admission 20 foré à travers le piston 12, d'autre part dans l'orifice 15 contrôlé par le pointeau 16.

[0025] Ce dispositif constitue donc un servomécanisme amplifiant à la fois le déplacement et la force de l'organe régulateur 8 en faisant usage de l'énergie potentielle disponible dans l'eau en amont du régulateur. Dans une forme de mise en exécution, la course du piston 12 est de l'ordre de 10 fois celle du pointeau 16 et la force appliquée à l'obturateur 13 de l'ordre de 300 fois celle exercée sur le pointeau 16.

[0026] Comme mentionné ci-dessus, le mouvement du pointeau 16 est commandé par un flotteur 17 qui suit le déplacement du niveau d'eau dans le dispositif 7.

[0027] Dans les conditions de fonctionnement prévues (20 à 30 bars), la différence de densité entre les phases liquide et vapeur est faible et la poussée d'Archimède sur le flotteur 17 est modeste; c'est pourquoi cette poussée a dû être amplifiée par un jeu de leviers 18 interposé entre le flotteur 17 et le pointeau 16.

[0028] Le fonctionnement de l'ensemble du dispositif de réglage 8 se récapitule comme suit. Supposons que le niveau d'eau descende dans l'échangeur 7; le flotteur 17 accompagne cette descente et transmet son déplacement au pointeau 16 qui descend à son tour et réduit la résistance offerte en 15 à l'échappement du débit secondaire. Dès lors la pression tombe dans la chambre 14, le piston 12 descend et l'obturateur principal 21 s'ouvre, augmentant le débit principal jusqu'à retrouver un nouvel équilibre. Le processus est inversé lorsque le niveau monte dans l'échangeur 7.

[0029] Etant donné que la pression dans la chambre 14 est fixée par l'importance relative des pertes de charge à l'entrée et à la sortie de la chambre, le débit de fuite autour du piston 12 doit rester négligeable devant les débits entrant et sortant. D'ailleurs, si le débit de fuite devenait important, il pourrait provoquer une perte de charge supplémentaire à l'amont telle que la pression dans la chambre 14 ne puisse plus atteindre une valeur suffisante pour refermer l'obturateur 13. Suivant une forme de mise en application, on peut remplacer l'ensemble parois latérales de la chambre 14 - piston 12 - ressort 19 par un soufflet de dilatation se raccordant de façon étanche à l'obturateur 13. En vue de maîtriser la température dans les sondages 1 de production, il est nécessaire de moduler le débit d'eau de façon précise dans un- large domaine, par exemple, entre 10 à 100% du débit nominal. A cet effet l'invention propose un obturateur d'une géométrie originale. En se référant à la figure 3, celle-ci montre un soufflet de dilatation 22 solidaire d'une unité de contrôle de l'entrée d'eau. Cette unité comporte un corps allongé 23 et est constituée d'une pluralité de zones coniques 33 alternant avec des zones cylindriques 25 et 26. Ce corps 23 se déplace dans un espace cylindrique dont les parois 27 comportent des sections annulaires 28. Les pièces 29 et 30 assurent le guidage du corps 23.

[0030] Lorsque le corps 23 est voisin de sa position la plus haute, c.a.d. fermeture de l'orifice 13, les parties cylindriques 25 se trouvent en face des sections annulaires 28, les sections sont les plus étroites et laissent passer un débit minimum; un obturateur 31 situé en tête permet d'annuler ce débit en position fermée. Lorsque le corps 23 descend, les parties coniques 24 se présentent en face des parties 28. Etant donné la conicité, on obtient une variation progressive et linéaire des sections rétrécies (et donc du débit) à mesure que le corps descend.

[0031] Lorsque le corps 23 est à sa position extrême basse, les parties cylindriques 35 se présentent en face des sections annulaires 28. Cette position du corps 23 est en dehors de la plage normale de fonctionnement; elle permet au débit nominal de s'écouler alors que, par suite d'une surchauffe accidentelle de l'eau en amont, la détente entraine une vaporisation partielle.

[0032] Le nombre de rétrécissements est adapté à la chute de pression à réaliser et donc à la profondeur du sondage de gazéification.

[0033] La colonne d'eau en mouvement au-dessus de l'organe régulateur 8 possède une masse et une inertie importantes. La masse dépasse 1 tonne pour un tuyau de 5cm de diamètre et de 1000m de longueur. Une action de fermeture trop rapide du régulateur 8 engendre de puissants coups de bélier. Pour éviter cet inconvénient, la vitesse de déplacement du corps obturateur 21 est limitée pendant la phase de fermeture. En effet, pendant cette phase, le débit secondaire entrant est majoré par rapport au débit sortant d'un débit supplémentaire nécessaire à gonfler le soufflet. En dimensionnant le conduit 20 et le soufflet, on peut choisir à volonté la vitesse de fermeture du régulateur et donc la vitesse de variation du débit, de façon à réduire autant que nécessaire la surpression dans la conduite amont au cours de la fermeture.

[0034] A cet effet, le conduit 20 est équipé d'une succession de restrictions 32 et d'élargissements 33. A chaque restriction, l'eau acquiert de l'énergie cinétique qu'elle perd dans la zone élargie suivante où l'écoulement est fortement turbulent. Le nombre d'étages du labyrinthe doit être adapté à l'importance de la pression amont et donc à la profondeur du sondage.

[0035] Les composants décrits doivent être assemblés dans un volume cylindrique. aussi étroit que possible, afin de pouvoir être glissé facilement à l'intérieur du tubage des sondages.

[0036] Pour réduire l'encombrement en largeur, le labyrinthe secondaire 32-33 est disposé au-dessus du labyrinthe principal 24-25-26-28.

[0037] Il est clair que l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit ci-dessus, mais peut être modifiée sans s'écarter de l'esprit de celle-ci. Ainsi nous avons décrit le cas où le régulateur est destiné à contrôler le niveau d'eau dans un échangeur de chaleur produisant de la vapeur d'eau. Il est évident qu'on peut utiliser le régulateur avec d'autres systèmes de refroidissement.

[0038] De même le contrôle direct du mouvement du pointeau peut être obtenu par la température des gaz en aval de l'échangeur. Dans ce cas, le pointeau peut être fixé à un étrier soutenu par des tiges placées dans le courant gazeux autour de l'enceinte et constituées d'un matériau à fort coefficient de dilatation.

[0039] Le pointeau peut également être monté sur une membrane d'une capsule manométrique, ainsi lorsque la pression baisse, la membrane s'abaisse et provoque l'ouverture du régulateur; et vice versa.

[0040] Les avantages du régulateur réalisé selon l'invention sont évidents et peuvent être résumés comme suit:

- appareil de géométrie cylindrique approprié aux sondages à grande profondeur,

- apte à régler des débits d'eau de 10 à 100% avec précision, de façon linéaire en fonction de l'écart à la consigne,

- apte à fonctionner sous des écarts de pression élevés (100 bars et plus),

- apte à fonctionner avec de l'eau chaude (jusqu'à 250°C) devenant diphasique en cours de détente,

- faisant usage de la pression amont pour actionner l'obturateur selon un principe de servomécanisme hydraulique,

- apte à se fermer de façon étanche,

- apte à fonctionner sous le contrôle de grandeurs physiques diverses (niveau, température, pression),

- apte à éviter les coups de bélier grâce à la mise en oeuvre d'une limitation automatique de la vitesse de fermeture.

- utilisant un dispositif d'étranglement à géométrie originale (labyrinthe) tant pour le débit principal que pour le débit secondaire traversant le servomécanisme de réglage,

- apte à fonctionner avec divers liquides,

- apte à divers usages (détendeur, limiteur de pression, etc...).

Revendications

1. Régulateur du débit d'eau d'un dispositif de refroidissement d'un tuyau d'évacuation de gaz, produit par gazéification d'un gisement souterrain (13) de charbon, comportant près de sa base une enceinte dans laquelle la phase liquide de l'eau est en contact avec la phase vapeur (10), caractérisé en ce que l'entrée d'eau dans l'enceinte est contrôlée par un piston (12) pouvant se déplacer dans une chambre substantiellement fermée; ce piston (12), comportant un orifice d'entrée d'eau, étant soumis d'une part à la pression de l'eau venant de la surface et d'autre part à la force d'un ressort (19); cette chambre comportant en outre un orifice réglable (15) contrôlé par un pointeau (16) permettant la sortie de l'eau contenue dans la chambre (14).

2. Régulateur de débit d'eau suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble des parois latérales de la chambre (14), du ressort (19) et du piston (12) sont remplacés par un soufflet de dilatation (22) solidaire d'une unité de contrôle de l'entrée d'eau et solidaire de l'orifice réglable permettant la sortie de l'eau du soufflet (22).

3. Régulateur de débit d'eau suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'unité de contrôle de l'entrée d'eau est constitué d'un corps allongé (23) formant l'obturateur (13) de l'enceinte, ce corps étant façonné extérieurement de façon à présenter en alternance des zones coniques (24) et des zones cylindriques (25, 26) et se déplaçant axialement dans un espace cylindrique dont les parois (27) comportent des rétrécissements.

4. Régulateur du débit d'eau suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le conduit d'entrée du corps allongé (23) est constitué au moins partiellement d'une succession de restrictions (32) et d'élargissements (33).

Dessins